Temperaturas de diseño para UMAs y chillers de agua helada

Antes de ver números conviene fijar el vocabulario. La temperatura de suministro es la del agua que sale del evaporador del chiller rumbo a los equipos. La de retorno es la del agua que regresa después de pasar por los serpentines. La diferencia entre ambas es el delta T, y junto con la carga térmica en TR define cuánta agua circula.

Una unidad manejadora de aire (UMA) recibe esa agua en un serpentín de enfriamiento para bajar la temperatura y la humedad del aire, así que comparte las temperaturas de diseño con el chiller. Si el chiller entrega agua a 7 °C y el serpentín se seleccionó para 5 °C, la UMA se queda corta de capacidad. Para dimensionar la capacidad, consulta cómo calcular la capacidad de un chiller. Aquí nos quedamos en las temperaturas.

La tabla reúne rangos habituales de práctica de ingeniería, a confirmar con la selección del serpentín y la ficha técnica del chiller. Solo la primera fila corresponde a una condición normalizada.

En confort, el estándar de 7/12 °C domina porque combina deshumidificación suficiente con un chiller que opera cómodo. En climas de costa como Veracruz, Mérida o Manzanillo, donde la carga latente pesa casi tanto como la sensible, 7 °C es un piso razonable. En Guadalajara y el Bajío el panorama cambia por temporada: en la época seca manda el calor sensible y hay margen para subir el suministro, y entre junio y octubre la humedad vuelve a pedir agua fría.

En salas limpias el diseño se amarra a requisitos como NOM-059-SSA1 e ISO 14644-1 y parte de la humedad que debe sostener el espacio.

La norma AHRI 550/590 fija las condiciones con las que se compara el desempeño de chillers de agua. Para un chiller enfriado por agua, el rating usa agua helada de 54 a 44 °F con 2.4 GPM por TR, agua de condensación que entra a 85 °F con 3.0 GPM por TR y factores de ensuciamiento de 0.00010 en el evaporador y 0.00025 en el condensador. En equipos enfriados por aire la referencia es un ambiente de 95 °F.

Esas condiciones sirven para comparar equipos en igualdad de circunstancias, y no para predecir el consumo de tu planta. Como un chiller opera la mayor parte del año a carga parcial, la norma define el IPLV con cuatro puntos de carga (100, 75, 50 y 25 %) y pesos de 1, 42, 45 y 12 %. Con tus temperaturas reales, el equivalente es el NPLV.

ASHRAE 90.1 establece los mínimos de eficiencia de los chillers con dos rutas de cumplimiento, A y B, y en su edición 2019 pide bombeo de velocidad variable con reset de presión diferencial (sección 6.5.4.2). Revisa la edición vigente de ambas normas antes de citarlas en una memoria de cálculo.

El caudal sale de una fórmula corta: GPM = TR × 24 / delta T (°F).

El 24 resulta de dividir las 12,000 BTU/h de una TR entre las 500 BTU/h que transporta un GPM de agua por cada grado Fahrenheit. En unidades métricas, los litros por segundo son los kW de carga entre 4.186 por el delta T en °C, y una TR equivale a 3.517 kW.

Pasar de 10 a 16 °F en una planta de 200 TR quita 180 GPM de la tubería: diámetros menores, bombas más chicas y menos consumo de bombeo. En teoría la potencia de una bomba de velocidad variable cae con el cubo del caudal, así que 38 % menos flujo sugiere un ahorro de cerca de tres cuartas partes. En la práctica es menor por la presión diferencial mínima y las pérdidas fijas, pero explica el auge de los diseños de alto delta T.

El precio está en el serpentín. Con más delta T el agua promedio es más cálida, y para entregar la misma capacidad y la misma humedad se necesita más superficie. HPAC recomienda al menos seis filas a diez aletas por pulgada en sus diseños de alto delta T, y una UMA con serpentín más profundo suma caída de presión de aire y costo de ventilador. Esa cuenta entra al análisis antes de decidir.

Un serpentín deshumidifica cuando la superficie de sus aletas queda por debajo del punto de rocío del aire. Un aire de retorno a 24 °C y 50 % de humedad relativa tiene un punto de rocío cercano a 13 °C. Con la superficie a 10 u 11 °C el vapor se condensa y sale por la charola de drenaje. Si la superficie sube a 14 °C, el serpentín enfría el aire pero deja pasar la humedad, y el espacio se siente frío y pegajoso.

Una práctica habitual es entregar el aire de la UMA alrededor de 13 °C (55 °F) y ajustar la temperatura del agua para lograrlo. A menor suministro, más deshumidificación. A mayor suministro, más calor sensible y menos latente. Los serpentines responden más a la temperatura de entrada del agua que al caudal, algo que pesa cuando se usa reset para ahorrar energía.

Subir el suministro reduce la diferencia de presión que vence el compresor y mejora la eficiencia del chiller. Según Consulting-Specifying Engineer, ese ahorro suele superar el aumento de energía de bombeo. El límite lo pone la humedad: si el reset lleva el agua a 9 o 10 °C en verano, la UMA pierde deshumidificación antes de que el termostato se entere, así que el reset necesita un tope de humedad.

Un sistema diseñado a 16 °F que opera a 8 °F tiene un problema serio. Con la misma carga, el caudal pasa de 1.5 a 3.0 GPM por TR, el doble. Según HPAC, la caída de presión del evaporador crece con el cuadrado del caudal, así que duplicar el flujo la multiplica por cuatro. Las bombas consumen más y la planta suele encender un chiller adicional solo para abrir un camino de flujo.

Es el síndrome de bajo delta T, que S. T. Taylor analizó en ASHRAE Transactions en 2002 al estudiar sus causas y su mitigación. HPAC señala el ensuciamiento del lado del aire: un serpentín sucio transfiere peor, la válvula abre más y el agua regresa más fría de lo previsto. Otra causa es operativa: bajar el setpoint del chiller para compensar aumenta la diferencia de presión del compresor y el consumo, sin resolver nada.

En campo también aparecen válvulas de tres vías, válvulas de dos vías con mal control y serpentines sobredimensionados. La mitigación empieza en el diseño, con serpentines seleccionados con margen, válvulas que cierren de verdad y un plan de limpieza. Un delta T alto de proyecto solo sirve si la operación puede sostenerlo.

El agua pura se congela a 0 °C, pero el riesgo empieza antes: en el evaporador la temperatura del refrigerante es menor que la del agua de salida, y un suministro de 4 °C deja poco margen. Por eso el glicol se vuelve necesario en procesos por debajo de unos 4 °C y en instalaciones a la intemperie con riesgo de helada.

El boletín 3-129 de Nu-Calgon da una referencia: el etilenglicol al 30 % se congela a unos -15 °C, al 35 % a -18 °C y al 40 % a -23 °C. Con propilenglicol son -12, -17 y -19 °C. La regla del boletín es mantener el punto de congelación al menos 5 °F (unos 3 °C) por debajo de la temperatura más baja esperada, y para que los inhibidores funcionen conviene no bajar de 30 a 33 % en volumen.

El glicol sube la viscosidad y la caída de presión y reduce la transferencia de calor, así que bombas y serpentines se revisan. El etilenglicol transfiere un poco mejor, pero es más tóxico; donde pueda haber contacto con agua potable o alimentos se usa propilenglicol.

Con un chiller enfriado por agua se suma la torre. El comparativo de chiller enfriado por aire vs enfriado por agua ayuda a decidir, y E-HVAC desarrolla torres de enfriamiento industriales para esos casos.

El más frecuente es copiar 7/12 °C sin revisar la carga latente. En un hospital o una planta de alimentos esa temperatura puede dejar corta la deshumidificación, y el cliente termina bajando el setpoint con el costo de energía que eso trae. Otro error es elegir un delta T alto en papel y operar uno bajo en campo. Un sistema pensado para 16 °F con válvulas de tres vías o serpentines sucios se comporta como uno de 8 °F, y las bombas mueven el doble de agua que pensaste. Se subestima también el glicol, que se agrega sin recalcular bombas ni serpentines, y el reset sin tope de humedad, que ahorra energía en julio y llena de quejas el edificio en agosto.